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[科技前沿] 正经说个硬的:原子钟

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  • TA的每日心情
    慵懒
    2023-12-6 00:54
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    楼主
     楼主| 发表于 2020-7-22 21:00:00 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
    本帖最后由 七月群山 于 2020-7-22 21:06 编辑 - L  Z( S8 w2 R) A. `" \1 c

    " o, A6 `7 h- D( ?  I  u前不久收官的北斗-3(BDS-3)定位星座,用了一项顶牛逼的硬核科技:氢原子钟。
    : u5 P3 h( }& v3 {6 n6 n3 g' B2 F, S( U$ {& z* ]5 z6 d7 b; B
    氢原子钟是通俗说法。正经说,北斗-3用的是一台叫“被动型惰性氢分子激射器”的时频仪器,简称PHM。7 K( ^( t( U: x. X7 {( Z
    " c1 E+ c- O/ V$ d# c$ q( q
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    4 x, s" K. s3 i! \
    9 Z7 z4 N# f' N( D, |5 T氢原子钟,Hydrogen MASER(Microwave/Molecular Amplification by Stimulated Emission of Radiation),分两种:主动有源型(active)和被动无源型(passive)。主动型当然好了,是目前已知精度最高的,就是呢个头太大了些,要求的温度条件和材料也相当苛刻,在地面站没问题,上卫星就不现实了;被动型,就是现在北斗3系用的,精度大概好像可能是差一个0,但是比目前美国GPS的铷钟,还是精确了两个到三个0,也就是一百到一千倍,稳定性也更高,耗电量随之也增加了,大致好像是五十瓦的级别,用在卫星上还不是负担。
    $ v* u9 T8 a2 A9 \" g8 Z1 Q. c1 P+ L$ v6 {- m6 o- q
    当然,北斗3系是氢铷钟复合的双保险,这也是新卫星的主流——在卫星方面,目前,中国自己,还真就是主流,平均两星期发一颗,没别人了。# x; W! x6 {( J* J* o

    0 M/ v2 u) [$ C) B) D, S定位星座,美国“老大”,大不大另说,老肯定是够老的;俄罗斯、欧盟也都使用氢钟技术的,但和中国比嘛,理论上是没有代差啦,而且俄版自称抗干扰(此话怎讲?)方面有优势,但他总共就24+3颗的实力,可靠性也明显比我差;欧盟的伽利略,用的法国欧赫利亚(orolia)公司的产品,虽说重量上有优势(18公斤),耗电更低,但毕竟是民用级别的,精度被咱碾压不说,最要命好像是,还没射过?) H$ n+ H/ _" s- K' x! m! C

    3 ]* t* W( \) x还有一个印度,印度挺牛的。有一个航天科技世界排名的网站,把印度排在美中欧俄日之后;印度科学家不乐意了,说,如果把人口和总投资之类的因素加进去,印度实际是世界第一的——反正印度人的算数最棒,总能把印度算成世界第一,连韩棒都比不过印棒。背着手撒尿不服不行。; A& h1 v# k. g- B2 m7 b: R
    ' q5 k0 H% o$ E2 \& ^8 L! X
    也许有人知道,在中国的北斗2系之后,大概是2013~2016,印度发射了7颗卫星的区域定位系统,叫navic。中国的几家手机为了抢印度市场,还想抬举抬举这个navic来着,不过印度至今也没搞出来相关的芯片,就更别提软件了。那这个navic干嘛用的?或者说有没有任何应用?这是印度之谜!- W7 A& V0 @* f2 d/ z
    + q) U! g6 \  p2 N
    不开玩笑,印度那威客的实际情况是,成网的第二年,一号星停摆了;然后补发一颗,失败了,到2018年再补发,按说是成功了,但其它几颗的可靠性明显的不行了。
    # B: N9 z1 C) g: U8 q5 Q) u+ X% x3 _5 ?! }" l6 @; }9 R8 I( X9 C' ~
    啥停摆了?原子钟啊!当年,2013年,印度虽说自己造不出原子钟,可它买的也是世界顶级的法国频谱计时spectratime公司的铷钟,虽说是民用级别的,毕竟是伽利略系统的供应商,(就是orola的前身,orola目前也是华为的供应商),,,不管怎样,反正,在原子钟方面,印度目前是,空白。当然就更不存在军用级别的定位系统了。没有卫星技术的支撑,其它的,比如导弹啦,无人机啦,,,等等,都必须仰人鼻息,“大国”悲哀莫过于此。
    0 c# e- `9 p. k* L2 J# X2 G! `: R2 U9 ?/ f/ X
    说些个大家可能百度不到的。2 {+ c1 C; {' |

    3 z9 U8 j! P3 d. n# G5 D===前方高能===
    . O- W; b+ X+ E2 I; p4 j. D" Y" i, o& Z, G5 s
    原子钟的重要性,中国科学家早就明白,但是啊,新中国那叫一个一穷二白,看着hp——没错,就现在笔记本的hp,在咱炮打司令部之前,1964年,hp就造出了便携式原子钟,眼馋啊,哈喇子流一尺那种。9 Z& c  w+ s# g8 @2 _+ y" S6 d

    / V! M; k1 k1 ^( z0 o* |那年,从字面意义讲,“时间”是掌握在美国的国家标准局手里的,懂吗,它可以是上帝,或者阎罗王。
    3 J) F- r0 m0 G& m, ^& F) A  J( }- w1 J
    ( d9 t* S" T* L/ f. J5 ~
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。& }' U- l+ ^5 L+ l
    ) t$ `1 d2 `# ?( v8 q2 J; S1 ?
    1964年的我们,面上菜色未消,胸中“铯”心又起。裤腰带紧了两扣,就制定了第一个铯束原子钟的十年大计。不到五年,达成第一阶段小目标,我们算是做到了原子钟的入门级。然后点点悲剧,,,等到“文革”消停了几天,“余毒”还没肃清呢,英明领袖还是华主席呢,胡耀邦还没开始“敲边鼓”呢,,,已经有“臭老九”开始蠢蠢欲动,甚至扬言,要把失去的“时间”夺回来!* l- Q3 Z  O- I" D7 v8 l) [
    & p6 |" a# a& ~+ |/ ?
    那是一帮时频的工程师。不对,他们那时还没有职称呢,都叫“技术员”,每月37元的工资,因为加夜班食堂会补一份肥肉很多的夜宵炸酱面而令他们欢欣鼓舞。但是我知道至少曾经有一个这样的美食之夜里,有三个蹲实验室的“技术员”并不开心,因为仪器故障他们当中必须有一个人去找无线电的小余来帮忙,而小余的娇妻是三线蹲放射性的,两三个月才回家度一下蜜月。谁大半夜的去敲人家小夫妻的门,那年月,挨大嘴巴。。。结果是小烨去的,也没挨大嘴巴。小余不到一个小时就修好了机器,完事也没客气,把大半罐子的肉炸酱都拿走了,因为他第二天倒休陪老婆,不打算出门。
    " _/ T1 y8 R6 H
    + j+ ^' t9 V" p$ ^9 V时频,无线电,放射性,说的都啥?“时间”的原理或许你懂,可要把它固定在机器里,再以难以置信的精确度同时拿出来,是奇迹。
    , j8 t- X- v4 w( e- J) Q- _- \$ ?# [3 {5 T: x& R
    1981年,时频的技术员们第一次“真正”做到了,精度达到十的负十三次方,追上了世界水平。“时间”从此攥在了我们手里,而且我们再也没撒过手。( E8 K8 n: P  B

    ( `( l0 d4 ]' I. b$ m1986年,十的负十四次方。3 m8 o2 k3 j3 p" U2 Y
    0 I( }6 `. ?2 u) V7 B
    2003年,十的负十五次方。/ h. U0 G7 f* g* Q$ x& p3 r. p. _
    ) ~7 W/ p1 {4 z! \
    2017年,十的负十六次方。- [1 `6 t7 V# D4 O8 N/ p3 \

    4 ^' b: W! b5 y: ^! N& h- e, p1 E9 v这些还都是我们100%可以做到的“标准”水平,敞开了让你看,你花钱就给你做机器,绝不藏着掖着。% q( {0 m8 [, |: X

    4 {  Y+ n* F5 n/ I) Q) @. e: x。。。2 K5 `: i9 K! v( u8 n. A7 I

    # h; Y* n' c$ b" B% g7 A8 j9 {. P
    % f& j1 M# v  R: Y) X8 ^今天,再去问时频“小烨”,他可能只记得当年价值九十元的真空管爆炸时的撕心裂肺;而放射性的罗阿姨,总会抱怨几句山洞里的实验室,害她犯关节炎;无线电的小余呢,对食堂何师傅的肉渣酱一直念念不忘。
    7 \8 Q9 B0 ~$ I. |8 U
    4 o! O, b" x  _, s: z! j8 ~
    , ?$ f6 R- C5 ~) D6 d6 S& P' S- D4 H6 V; c0 d: l1 S) T, J5 Y

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  • TA的每日心情
    开心
    前天 07:30
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    [LV.Master]无

    沙发
    发表于 2020-7-22 21:54:56 | 只看该作者
    国内第一台铯钟在1965年就完成了,领头人是王义遒 十年后铷钟也成功了。* n5 C4 M& A! i7 n/ z  }  p
    真正的难点在于原子钟的小型化,这个是真的努力了好多年了。早七八年前2G往3G转的时候很多老旧基站都要拆除,所以市面上流了很多基站上带下来的铯钟,曾经有发烧友用这玩意代替高端恒温晶振来做采样与解码标准时钟。

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      发表于 2020-7-27 02:47

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  • TA的每日心情
    开心
    16 分钟前
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    [LV.Master]无

    板凳
    发表于 2020-7-22 21:55:25 | 只看该作者
    北斗系统据说让科学院上海小卫星当了一把鲶鱼,分了部分星座给科学院,导致五院大为紧张,双方竞争加剧而促进北斗代际加快。

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      发表于 2020-8-8 16:40
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      发表于 2020-7-24 00:11
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      发表于 2020-7-23 14:27
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      发表于 2020-7-23 08:39

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  • TA的每日心情
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    2019-4-29 10:01
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    [LV.8]合体

    地板
    发表于 2020-7-23 07:53:34 | 只看该作者
    电视台的3.58MHz色度副载波和授时台同步,可以代替铯钟。
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  • TA的每日心情
    开心
    2025-3-13 15:17
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    [LV.9]渡劫

    5#
    发表于 2020-7-23 08:17:06 | 只看该作者
    看了这么一点不过瘾,有没有这方面的科普书可以推荐一下,谢谢
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  • TA的每日心情
    开心
    2026-10-3 09:58
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    [LV.9]渡劫

    6#
    发表于 2020-7-23 08:47:43 | 只看该作者
    本帖最后由 忧郁金桥 于 2020-7-23 08:49 编辑
    ( @1 h8 `4 G- j) S+ X) [7 z  |
    . S; a  c# h* E# U) J/ k, G1 i群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);) p  u& D( c, Z0 w
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。! C9 E; ]# M& s& r! {; Y  E
    谢谢,“车旅系列”还能有第2季吗?
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  • TA的每日心情
    慵懒
    7 小时前
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    [LV.Master]无

    7#
    发表于 2020-7-23 10:41:50 | 只看该作者
    每月37元的工资 ------ 中专起步工资
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    8#
    发表于 2020-7-23 18:45:06 | 只看该作者
    安捷伦的铯钟,现在还是只能让人望尘莫及的水平,据说现在都禁运了
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    前天 07:30
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    [LV.Master]无

    9#
    发表于 2020-7-23 22:56:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-23 18:45: }8 {" g- d! y
    安捷伦的铯钟,现在还是只能让人望尘莫及的水平,据说现在都禁运了
    + k- ]$ X* {0 _% T
    原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。' J7 ^7 }% z- s- p
    他家的铯钟在基站上很常见。

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    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    10#
    发表于 2020-7-25 13:35:00 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-23 22:56
      K& X3 r/ O! J2 \9 w原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。, v- a4 ~( }* V" o. Y  ?! p
    他 ...
    8 p* L2 ~& f+ Q$ x! u! j* W7 P
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好. s2 w% E7 k' U* x8 s
    5071A好像这两年不好买了
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    [LV.Master]无

    11#
    发表于 2020-7-25 22:56:14 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-25 13:35
    + q% I1 O  D3 y/ I0 i  y短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好& Y1 F; J- M9 b) K7 R' G7 o+ e
    5071A好像这两年不好买了
    $ T9 H$ p4 ^7 A2 L7 ~& [
    这个短稳长稳有出处嘛?. e$ L0 u; T2 O, M' C
    铯铷两种原子钟国内目前的厂家是天奥。恰恰就是这个国产鲶鱼让进口货的价格腰斩一半~~) n9 g* `& N  ]  K. ^' T% i
    所以 安捷伦到底是美国禁运呢还是自个玩不下去了还得俩说

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      发表于 2020-7-26 06:29
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    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    12#
    发表于 2020-7-26 12:48:09 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-25 22:568 e( [3 o; h2 g# ]8 ?6 x
    这个短稳长稳有出处嘛?' ]* a5 h- S0 o+ P, A  f8 r. k2 _
    铯铷两种原子钟国内目前的厂家是天奥。恰恰就是这个国产鲶鱼让进口货的价格腰斩 ...

    , q2 w. U/ b3 A9 D/ E2 w( l, V1 b
    ( F% E& @. w& M: D$ e5 X* K
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    / h7 T0 O% g, ?' J这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的稳定性好,随着时间拉长,氢钟的稳定性(阿伦方差)就开始往上翘了,而高性能铯钟的阿伦方差则保持减小的趋势。

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      发表于 2020-8-8 16:41
    油墨: 5 油菜: 5
      发表于 2020-7-27 04:48
    给力: 5
      发表于 2020-7-27 03:03
    油菜: 5 涨姿势: 5
    学渣表示看不懂,但不妨碍表示佩服 :)  发表于 2020-7-26 21:12

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  • TA的每日心情
    慵懒
    7 小时前
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    [LV.Master]无

    13#
    发表于 2020-7-27 03:01:53 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-23 22:56( u7 v4 f! d# t. R' L
    原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。
    1 ~  U. {3 u! z  b8 A2 O( s1 Y4 c9 ]他 ...

    / t2 Q2 s% v8 w$ g* X安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

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      发表于 2020-7-30 11:41
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  • TA的每日心情
    开心
    前天 07:30
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    [LV.Master]无

    14#
    发表于 2020-7-27 03:35:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-26 12:486 j* n0 `* @/ {* F, F
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    $ ~4 C. L7 {' _- d% ]9 m这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    & D- L: Q6 o9 P6 u  f. r
    你说的这个是冷原子喷泉钟吧?传统的铯基原子钟稳定性是不如铷和氢的。0 p, T. Y+ B% E# g1 u# }
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大了,只能空间站或者大型卫星上使用。
    : d7 ~* Q* q" }7 ]6 \$ t" q% B

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      发表于 2020-7-27 04:47
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    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    15#
    发表于 2020-7-27 11:33:16 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35
    3 b- `) D+ C7 O6 P0 F/ u你说的这个是冷原子喷泉钟吧?传统的铯基原子钟稳定性是不如铷和氢的。3 @5 w- T3 m! p# G2 H4 f
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    ) c* P1 o: F4 o6 u
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    . L/ l& j2 R. M从射电天文学的反馈来看,观测的时候都是用氢钟,利用其短稳
    # ~" s3 O" M  @9 h3 `* i时间基准据说用的是铯钟,利用其长稳
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
  • 签到天数: 1 天

    [LV.1]炼气

    16#
    发表于 2020-7-27 11:34:00 | 只看该作者
    北京阿新 发表于 2020-7-27 03:01
    * [' V( n& ^8 H1 D; ~3 X. S  R安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    % M6 z0 Q* U3 t- C
    嗯,惠普 - 安捷伦 - 是德,不知道后面怎么变
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  • TA的每日心情
    开心
    4 天前
  • 签到天数: 40 天

    [LV.5]元婴

    17#
    发表于 2020-7-28 00:56:08 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-27 11:33) h' \# ~1 [+ C4 ~& O
    可能高端的铯钟做的更好一些吧+ ~& y  p4 W$ s0 G' G8 e/ J
    从射电天文学的反馈来看,观测的时候都是用氢钟,利用其短稳  x  F4 m6 s" w9 o
    时间基准据说 ...

    / H; Q- O; e) q* Z* S  R请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-4-29 10:01
  • 签到天数: 334 天

    [LV.8]合体

    18#
    发表于 2020-7-28 09:50:08 | 只看该作者
    时间基准就是用铯的9193兆谱线对的。铷是6834兆。
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    19#
    发表于 2020-7-28 10:29:35 | 只看该作者
    陈王奋起挥黄钺 发表于 2020-7-28 00:56$ T! Q9 F% u5 u4 H' A
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    6 W; D0 H$ u; B' H3 }* {
    如果原子钟是放在一起的,可以本地直接比对,找出相互之间的差值,根据长期的数据,可以评估出各个单台原子钟的稳定性,用算法算出一个综合的时间,大家向这个综合的时间看齐调整) Y' I, h  q6 |4 E) D8 Z& o

    8 z$ h. \$ Q' x9 `不在一起的原子钟,有基于卫星的、光纤的,等等方法进行比对
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    4 天前
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    [LV.5]元婴

    20#
    发表于 2020-7-28 11:41:34 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-28 10:29
      a9 E. a! e- C9 r% V1 G& _1 T如果原子钟是放在一起的,可以本地直接比对,找出相互之间的差值,根据长期的数据,可以评估出各个单台原 ...

    , j9 p' E+ ]1 z5 {像卫星上的原子钟,隔了几万公里,距离也不确定,真的好奇如何进行时间同步。
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